Modeling and simulation of high temperature electrolysis coupled with concentrated solar power for hydrogen production

The global energy system is going towards the decarbonization across all sectors, in order to accomplish the requirements in the Paris Agreement. In this scenario, hydrogen plays a key role as it constitutes a clean and flexible energy carrier. Alongside its conventional uses in the refinery and chemical industry, more recent applications include the production of synthetic methane, the hydrogen storage for the integration of renewable energy into the grid and the use as fuel for Fuel Cell vehicles and buses. The roadmap for the hydrogen uptake passes through the development of near-zero emission technologies for hydrogen production. This is the rationale for the investigation of solar hydrogen technologies. In particular, the coupling between High Temperature Electrolysis (HTE) and a Concentrating Solar Power (CSP) system is analyzed in this study. The proposed plant is conceived to supply hydrogen for a small refueling station in Lancaster (CA). It is based on the Solid Oxide Electrolyser Cell (SOEC) technology, which performs the electrochemical water splitting, in order to produce a target of 150 kg/d of hydrogen. The plant is integrated with a parabolic solar dish system, that is designed to provide both electricity and thermal energy, necessary for the electrolysis reaction to take place. Specifically a multi-dish configuration is selected, in which the share of electric power is produced by an air Micro Gas Turbine placed in the dish focus, the share of thermal power by means of a receiver that acts as a boiler, bringing the anodic and cathodic streams to the cell operating temperature (750 °C). To gain insight into the operation of the SOEC within the plant, a 1D cell model is studied, enabling a detailed description of the cell from the electrochemical and thermodynamic viewpoint. The plant process is simulated with different conditions of the SOEC, in terms of current density, steam utilization, pressure and sweep gas flow rate. A series of design performance maps are built, accordingly. Furthermore, a preliminary economic analysis is carried out and the Levelized Cost Of Hydrogen is subsequently obtained. The results of the techno-economic study are used to find out the optimal design operating point.

Nell'ambito del sistema energetico globale, si sta assistendo a un processo di decarbonizzazione in tutti i settori, al fine di adempiere agli obblighi assunti nell'accordo di Parigi. In questo contesto, l'idrogeno svolge un ruolo fondamentale, essendo un vettore energetico pulito e flessibile. Accanto ai suoi utilizzi convenzionali, applicazioni più recenti comprendono l'accumulo di idrogeno per l'integrazione di energia rinnovabile nella rete elettrica e l'uso come combustibile nei veicoli Fuel Cell. La via per la diffusione dell'idrogeno passa attraverso lo sviluppo di tecnologie di produzione dell'idrogeno a quasi-zero emissioni. In particolare, in questo studio viene analizzata la combinazione di elettrolisi ad alta temperatura con un sistema a concentrazione solare (CSP). L'impianto proposto è ideato per fornire idrogeno ad una piccola stazione di rifornimento in Lancaster (CA). Esso si basa sull'eletrolizzatore ad ossidi solidi (SOEC), che permette di effettuare la reazione elettrochimica di dissociazione dell'acqua, con lo scopo di produrre 150 kg al giorno di idrogeno. L'impianto è integrato con un sistema di riflettori parabolici (dish), in configurazione multi-dish, in cui il contributo di potenza elettrica richiesta dall'impianto è prodotto da una serie di Microturbine ad aria collocate ciascuna nel fuoco del dish, mentre quello di potenza termica attraverso un ricevitore che funge da boiler, portando i flussi all'anodo e al catodo alla temperatura operativa della cella (750 °C). Per comprendere meglio il funzionamento del SOEC all'interno dell'impianto, viene studiato un modello monodimensionale della cella, che permette così una descrizione dettagliata della cella da un punto di vista elettrochimico e termodinamico. Il processo è simulato impostando varie condizioni del SOEC, in termini di densità di corrente, fattore di utilizzo del vapore, pressione e portata di sweep; di conseguenza sono ottenute una serie di mappe di funzionamento in condizioni nominali. Inoltre, è condotto uno studio economico preliminare, per la determinazione del costo dell'idrogeno (LCOH). I risultati dell'analisi tecno-economica sono infine elaborati al fine di trovare il punto di design ottimo dell'impianto.